基于不同功率的非能动安全壳热量导出系统实验研究

李丽娟，于沛，丁铭，孙中宁

1. 中国核电工程有限公司，北京 100840

2. 哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001

3. 哈尔滨工程大学 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001

非能动安全壳热量导出系统 （ passive containment heat removal system, PCS）在安全壳外设置换热水箱，通过管道连接布置在安全壳内的换热器组。安全壳内水蒸汽在换热器上冷凝、混合气体与换热器之间对流和辐射换热，通过合理的管道布置利用水的温度差产生的密度差实现非能动安全壳热量导出[1−4]。“华龙一号”压水堆在设计基准事故下使用专设安喷系统导出安全壳热量，发生全厂断电或安喷系统丧失时PCS 系统（ACP1000 passive containment heat removal system,ACP1000PCS）自动投入运行，利用自然循环实现安全壳的长期排热[5−8]。“玲龙一号”模块式小型压水堆非能动安全壳热量导出系统（ACP100 passive containment heat removal system, ACP100PCS）确保安全壳及其内部环境在设计基准事故或严重事故状态下仍能得到有效的冷却，防止安全壳发生超温、超压的危险[9−10]。对于非能动系统，需要在理论分析、数值计算基础上开展实验研究和验证[11]。

1 ACP1000PCS 系统实验研究

在完成了ACP1000PCS 系统方案论证、单一传热管实验研究，以及换热器、汽水分离器和蒸汽排放装置研制的基础上，开展ACP1000PCS 系统性能综合实验。建造了全高度、全压力PCS 系统性能综合实验装置，模拟实际运行参数，考核PCS 系统的排热能力、稳态运行特性和瞬态响应特性；检验系统设备的性能；获取足够的实验数据以验证PCS 系统热工分析程序。图1 为ACP1000PCS 系统性能综合实验台架流程。

图1 ACP1000PCS 系统实验台架流程

本研究开展如下实验：

1）系统启动策略实验：研究冷管段和热管段上隔离阀的备用状态对系统启动特性的影响。

2）系统验证工况实验：研究系统在2 个设计工况的排热能力和系统运行特性。

3) 非设计工况下的排热能力和系统运行特性实验。

4）冷却水箱水位影响实验：研究水位对系统运行特性的影响。

5）局部阻力性能实验：研究系统在不同局部阻力系数条件下的系统排热能力和运行特性。

表1 给出了ACP1000PCS 系统性能综合实验验证的2 个设计工况参数。

表1 ACP1000PCS 系统性能综合实验验证工况参数

2 ACP100PCS 系统实验研究

ACP100 PCS 系统综合实验装置在ACP1000 PCS 系统实验装置上进行了改造，实验装置的主要不同之处有：1）自然循环回路管路改造；2）在冷凝罐后端增设了冷凝水回收系统，3）在冷却水箱内增设了冷热流体混合室；4）为整个实验装置设置了仪控系统。

图2 为ACP100PCS 系统性能综合实验台架流程。

图2 ACP100PCS 系统实验装置流程

ACP100 PCS 系统性能综合验证实验的4 个设计工况，如表2。其中3 个为单相自然循环工况（工况I ～ III），这3 个工况对冷却水箱的水温都有各自的要求。因而，除工况IV 因水温达到常压下的饱和温度而无需额外控制之外，ACP100 PCS 系统性能综合验证实验需要对冷却水箱内的水温进行有效的控制，这是与ACP1000 PCS 系统实验装置的一个重要差别。为了方便、经济地控制冷却水在冷管段入口处的温度，本实验采用了直接混合式换热对冷却水箱水温进行控制。如图2 所示，改造后的冷却水箱增设了补水管口、溢流管口和冷热流体混合室。在实验过程中利用这2 个管口及其相应的管线置换冷却水箱内的一部分冷却水以达到控制自然循环回路入口温度的目的。

表2 ACP100PCS 系统性能综合实验验证工况参数

实验研究内容包括：

1）系统验证工况实验：研究PCS 系统在如表2 所示的4 个设计工况下的系统排热能力、运行特性等；检验内部换热器、汽水分离器和蒸汽排放装置的性能。

2）系统非验证工况性能实验：研究不同混合气体配比条件下PCS 系统的排热能力和运行特性，导出换热器的管外传热计算公式。

3）水位影响实验：研究不同水位条件下PCS系统的排热能力和运行特性。

4）局部阻力性能实验：研究PCS 系统在不同局部阻力系数条件下的系统排热能力和运行特性。

3 对比与分析

3.1 ACP100PCS 系统与ACP1000PCS 系统对比

表3 全面进行了ACP1000PCS 和ACP100PCS系统的对比分析[12−14]。

表3 ACP1000PCS 系统和ACP100PCS 系统对比

3.2 冷却水箱水位对PCS 系统排热能力和自然循环特性的影响

ACP1000 的实验发现，当系统的排热功率超过第I 设计工况设计值时，水箱水位的影响基本上可以不予考虑；当系统的排热功率在第II 设计工况设计值以下时，随着水箱内水位的下降，系统的排热功率会有较大幅度的提高，增幅一般能达到40%以上。在低功率条件下（如图3，壳内压力为0.36 MPa），水位对系统排热能力的影响与第II 设计工况相似，但幅度更大，系统的排热功率从初始水位（4 m）的356.3 kW 增至最低水位（0.5 m）的606 kW，增幅达70%，而自然循环流动则随着回路出口附近液体闪蒸量和持续时间的增加而趋于稳定，直至形成稳定的两相流动状态，其流量上升至约84 t/ h。

图3 随水位变化的平均排热功率和自然循环流量

在ACP100 第IV 验证工况实验（如图3，G为自然循环流量，Q为排热功率，壳内压力为0.302 MPa），冷却水箱水位对PCS 系统排热能力和自然循环特性存在一定的非线性影响。当冷却水箱内的水位在1.1 m 以上时，水位的降低对系统的排热功率影响不明显；当水位降至1.1 m 以下后，系统的排热功率会有较大幅度的提高，达到20%以上。

这是由于当冷却水箱水位高于1.1 m 时，自然循环流动始终处于周期性闪蒸驱动下的单相–两相流动状态，而且，流量大幅波动，两相流动时的流量峰值为单相流动时的3 倍左右。当冷却水箱内的水位低于1.1 m 之后，自然循环的排热能力足以维持稳定的闪蒸过程，自然循环流动由高水位时的单相–两相的周期性流动过程转变为稳定的两相流动。这一特性对系统的后期运行非常有利。

3.3 PCS 系统局部阻力性能实验分析

局部阻力的性能实验通过调整冷管段和热管段上冷凝罐隔离阀开度，在自然循环回路中引入不同程度的额外阻力，如图4。研究PCS 系统阻力变化对其排热功率和自然循环特性的影响规律。

图4 ACP1000PCS 实验阀门局部阻力系数随开度变化

随着阀门开度逐渐减小，阀门前后的压差DP 和阻力系数ξ 呈现指数形式地增大。ACP100PCS系统实验也是同样的趋势。

图5 显示了阻力增大对ACP1000PCS 系统排热功率影响。PCS 局部阻力的增加引起自然循环流量的降低，它反过来引起内部换热器进出口温差的增加，这缓解了局部阻力增加对系统排热功率的不利影响。图5 中，Q为功率，M为自然循环流量，ΔT为换热器进出口的温差。

图5 ACP1000PCS 换热功率与阻力系数的关系

ACP1000 项目所有工况均为两相流动换热，图6 显示的是ACP100 项目早期单相流动换热工况。不管是单相或两相流动换热工况，减小阀门开度引起阀门的局部阻力系数发生了大幅的增加，确实引起自然循环流量的下降，同时，在内部换热器入口温度保持不变的情况下，内部换热器出口温度发生了不同程度的升高。而且，随着内部换热器出口温度的升高，自然循环回路热管段的温度均会随之升高，进而引起热管段密度的整体降低和自然循环驱动力的增加，这从一定程度上缓解了自然循环流量和排热功率的下降。也是PCS 系统自然循环对运行环境具有自适应性的表现。

图6 ACP100PCS 局部阻力系数对应换热功率

调整冷管段和热管段上冷凝罐隔离阀开度得到的趋势和规律是一致的，由于阀门内流速的差异导致调整冷管段阀门引起更大的压降和更大的自然循环流量降低，这反过来引起内部换热器进出口温差出现了更大幅度的增加。从流量的角度来说，在流速相对较高的冷管段上进行结构调整比在流速相对较低的热管段上进行结构调整对自然循环流量的影响将更大一些。这是在进行PCS 系统工程布置设计时应当关注的地方，也是PCS 系统强化换热可以考虑的方向。

3.4 PCS 系统备用状态比选

PCS 系统备用状态选择2 种策略，见表4。

表4 PCS 系统备用状态

图7 给出了不同策略系统运行的自然循环流量和功率。从图7 可见，PCS 系统冷热管段隔离阀采用双阀开启方案或冷管段隔离阀关闭方案时，PCS 系统均能够获得较优的启动性能。采用双阀开启的方案时系统启动过程较为平稳。

图7 ACP1000PCS 系统备用方案1、2 自然循环流量和功率随时间的变化

图8 提取了策略2 投运600 s 内自然循环流量和功率。

图8 ACP1000PCS 系统备用方案2 自然循环流量和功率随时间的变化

从图7 和图8 可见，采用冷管段隔离阀关闭方案，在开阀瞬态阶段发生急速的流量和功率变化，这是由于发生了急速的温度、压力、流量变化和闪蒸–凝结过程，会对管路和换热器造成一定的热冲击，还可能在回路出口出现轻微的“汽锤”振动。所以如采用冷管段隔离阀关闭方案系统应当在换热器管侧流体出口温度达到出口压力下的饱和温度之前开启隔离阀[15]。

3.5 优化建议

通过分析“华龙一号”与“玲龙一号”非能动安全壳热量导出系统实验中的典型现象，对后续研究和工程设计提出以下优化建议：

1）如需要强化换热可从以下途径实施：

① 强化换热器的换热能力，例如：增大换热面积、优化传热管排布方案、适当调整换热器传热管的倾斜角度、优化换热器传热管的长度；

② 适当降低水箱水位；

③ 充分利用水箱驱动压头，采用可消除水箱水位对PCS 自然循环不利影响的出口排汽装置；

④ 优化水箱与换热器间的位差；

⑤ 适当增加上升段、下降段管道的管径，尤其是冷管段。

2） 建议系统的备用状态为隔离阀全开。

如果采用冷管段隔离阀关闭方案，应在换热器出口设置温度监测，并联锁开启冷管段隔离阀。

4 结论

“华龙一号”与“玲龙一号”非能动安全壳热量导出系统的实验研究，验证了系统的导热能力和设备性能满足功能要求。

1）随着水箱内水位的下降，系统的排热功率会有较大幅度的提高。适当降低水箱水位有助于系统换热能力的优化。

2）增加上升段、下降段管道的管径，尤其是冷管段有利于降低PCS 系统阻力，提高其排热功率和自然循环特性

3）建议系统的备用状态为隔离阀全开。如果采用冷管段隔离阀关闭方案，应在换热器出口设置温度监测，并联锁开启冷管段隔离阀。